精品資料（2021-2022年收藏的）論文(2)

1、西安科技大學繼續(xù)教育學院 31西 安 科 技 大 學畢 業(yè) 設 計（論文）任 務 書站名姓名楊利龍專業(yè)年級設計（或論文）題目：接觸網動態(tài)檢測系統(tǒng)設計與應用 2011 年 11 月 20 日完成日期：1、 具體要求： 電氣化鐵路因其運輸能力強、運營成本低、能源消耗少和環(huán)境污染小等優(yōu)點，受到世界各國的普遍重視，成為了當今鐵路的發(fā)展方向。而接觸網作為電氣化鐵路的重要組成部分，其狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響到電氣化鐵路的運行安全，因此通過檢測接觸網狀態(tài)，及時發(fā)現整治存在的問題，對于電氣化鐵路的安全運行舉足輕重。同時，為了不斷積累設計、施工和維護經驗，提高檢修效率，節(jié)約運行成本，使得持續(xù)提高接觸網檢測技術水平成為

2、了電氣化鐵路迅猛發(fā)展的必然需求和重要保障。二十世紀末期，接觸網的接觸式檢測技術已日趨成熟，在國內外得到了廣泛應用。但由于技術復雜、成本較高且存在一定安全隱患等原因，極大地制約了這種檢測技術的普及推廣和檢測精度的進一步提高。非接觸式檢測技術是將檢測設備安裝于車項，完全與高壓設備脫離接觸，使得技術和設備相對簡單，安全性能大大提高，成本大幅下降。 2、 學生應完成的任務 本文針對目前國內基于圖像處理的非接觸式檢測系統(tǒng)的圖像預處理和目標識別計算，在高速檢測情況下存在的主要問題進行研究，并運用自適應閥值法和自適應控制技術對其進行了改進。主要是對攝像機采集的圖像進行多閥值段劃分，采用自適應閥值和兩次二值化

3、處理方法進行圖像預處理，然后運用跟蹤識別技術將干擾目標排除，最終得到有效目標的幾何參數，目標識別質量和技術參數獲取效率明顯提高。另外，該系統(tǒng)還優(yōu)化了車項檢測設備的設置，針對閥值段優(yōu)化劃分、多目標識別、照明光源開閉控制、斷點接續(xù)等問題，提出了改進思路。3、 參考文獻1陳唐龍高速鐵路接觸網檢測若干關鍵技術研究西南交通大學博士研究生學位論文，20062馮金柱2003年68個國家和地區(qū)電氣化里程及電氣化率世界軌道交通，2004(6)33于萬聚高速電氣化鐵路接觸網成都：西南交通大學出版社，20024于萬聚接觸網設計及檢測原理北京：中國鐵道出版社，19935中華人民共和國鐵道部中長期鐵路網規(guī)劃，20041

4、6吳積欽，董昭德等。鐵道部客運專線接觸網培訓教材成都：西南交通大學出版社，20077張道俊，張韜接觸網運營檢修和管理北京：中國鐵道出版社，20068張韜接觸網狀態(tài)修工作的思考鐵道機車車輛，2004(2)9朱德勝德國接觸網動態(tài)檢測技術電氣化鐵道，2004(3)lO李大為德國接觸網動態(tài)接觸壓力檢測及其缺陷判別技術淺析鐵道標準設計，2005(8)11陳唐龍接觸網檢測車振動補償研究西南交通大學學報，1999(212于正平，張弘，吳鴻標，昌月朝高速電氣化鐵路接觸網一受電弓統(tǒng)的研究中國鐵道科學，199920(1)13蔡學敬陳唐龍牛大鵬基于OnuriS線陣列CCD攝像技術的高速電化鐵路接觸網動態(tài)檢測系統(tǒng)軌道

5、交通，2007(5)指導教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日指導老師： 職稱： 年 月 日繼續(xù)教育學院 蓋章西安科技大學繼續(xù)教育學院畢 業(yè) 設 計 ( 論 文 ) 評 審 意 見 書評審意見：評審人： 職稱： 年 月 日評審成績： 畢業(yè)設計評審小組 簽字西安科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書題 目 函 授 站 專業(yè)及班級 姓 名 指 導 教 師 日 期 繼續(xù)教育學院 誠信承諾一、 本論文是本人獨立完成；二、 本論文沒有任何抄襲行為；三、 若有不實，一經查出，請答辯委員會取消本人答辯資格。承諾人（鋼筆填寫）： 年月日摘 要電氣化鐵路因其運輸能力強、運營成本低、能源消耗少和環(huán)境污染小等優(yōu)點，受到

6、世界各國的普遍重視，成為了當今鐵路的發(fā)展方向。而接觸網作為電氣化鐵路的重要組成部分，其狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響到電氣化鐵路的運行安全，因此通過檢測接觸網狀態(tài)，及時發(fā)現整治存在的問題，對于電氣化鐵路的安全運行舉足輕重。同時，為了不斷積累設計、施工和維護經驗，提高檢修效率，節(jié)約運行成本，使得持續(xù)提高接觸網檢測技術水平成為了電氣化鐵路迅猛發(fā)展的必然需求和重要保障。二十世紀末期，接觸網的接觸式檢測技術已日趨成熟，在國內外得到了廣泛應用。但由于技術復雜、成本較高且存在一定安全隱患等原因，極大地制約了這種檢測技術的普及推廣和檢測精度的進一步提高。非接觸式檢測技術是將檢測設備安裝于車項，完全與高壓設備脫離接觸，使

7、得技術和設備相對簡單，安全性能大大提高，成本大幅下降。本文針對目前國內基于圖像處理的非接觸式檢測系統(tǒng)的圖像預處理和目標識別計算，在高速檢測情況下存在的主要問題進行研究，并運用自適應閥值法和自適應控制技術對其進行了改進。主要是對攝像機采集的圖像進行多閥值段劃分，采用自適應閥值和兩次二值化處理方法進行圖像預處理，然后運用跟蹤識別技術將干擾目標排除，最終得到有效目標的幾何參數，目標識別質量和技術參數獲取效率明顯提高。另外，該系統(tǒng)還優(yōu)化了車項檢測設備的設置，針對閥值段優(yōu)化劃分、多目標識別、照明光源開閉控制、斷點接續(xù)等問題，提出了改進思路。關鍵詞：接觸網；非接觸式檢測；圖像處理；自適應算法Abstrac

8、tElectrified railway transport capacity because of its strong, low operating costs, energy consumption and environmental pollution fewer advantages, such as by the general emphasis on countries in the world has become today's railway development. The catenary electrification of the railway as an

9、 important component of the merits of its state directly affects the safe operation of electric railways, so by detecting the catenary state, the timely detection of crime problems, for the safe operation of electric railways vital. At the same time, in order to continue to accumulate the design, co

10、nstruction and maintenance experience, improve maintenance efficiency and save operating costs, making continued to improve the level of detection of catenary electrified railway has become the inevitable demand for rapid development and an important guarantee. The end of the twentieth century, cate

11、nary contact-type detection techniques have become more mature, widely used at home and abroad. However, due to technical complexity, high cost and there is a certain security risks and other factors, has greatly restricted the spread of this detection technology and detection accuracy further impro

12、ved. Non-contact detection technology is to detect items of equipment installed in the car, complete with high-pressure equipment, disengagement, enabling technology and equipment is relatively simple, greatly improved safety performance, the cost has dropped significantly. In this paper, the curren

13、t domestic-based image processing, non-contact detection system of image pre-processing and object recognition terms, in the case of high-speed detection of the main problems to study and use adaptive thresholding method and its adaptive control techniques were improvement. Mainly for multi-camera i

14、mage acquisition threshold divided into paragraphs, using adaptive binarization threshold and the two treatment methods for image preprocessing, and then the use of tracking technology will interfere with target identification to exclude the ultimate goal of an effective geometric parameters, target

15、 identification, quality and technical parameters for the efficiency has improved significantly. In addition, the system also optimized the car items of test equipment settings for optimal classification threshold segment, multi-target recognition, illumination opening and closing control, breakpoin

16、t continuation problems, suggestions for improvement ideas. Keywords: Catenary; non-contact detection; image processing; adaptive algorithm第1章 緒論1.1引言1879年5月31日，在德國柏林舉辦的世界博覽會上，德國西門子公司和哈爾斯克公司展出了世界上第一條電氣化鐵路。隨著科學技術發(fā)展、鐵路運量增長和對能源利用率的重視，電氣化鐵路運輸能力強、運營成本低、能源消耗少、環(huán)境污染小的優(yōu)點受到了世界各國的青睞。一些工業(yè)發(fā)達國家大規(guī)模的電氣化鐵路建設，使它從工礦線路

17、和一些大城市的近郊線路，迅速發(fā)展到城市之間和繁忙的鐵路干線。二十世紀七十年代末，歐洲各國、日本以及前蘇聯的鐵路主要干線均已實現了電氣化。截止2003年底，世界電氣化鐵路已達到264萬公里，約占世界鐵路總營業(yè)里程(約121萬公里)的21.8。我國第一條電氣化鐵路寶成線寶雞至鳳州段始建于1958年6月，于1961年8月15日建成，由此揭開了我國電氣化鐵路建設的序幕。雖然起步較晚，但經過50年的飛速發(fā)展，己躋身于世界電氣化鐵路大國行列。2006年9月，我國電氣化鐵路總里程突破2.4萬公里，成為繼俄羅斯之后世界第二大電氣化鐵路國家，鐵路電氣化率達到27，初步形成了布局合理、標準統(tǒng)一的電氣化鐵路運營網絡

18、。預計到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到10萬公里，電氣化率達到50。屆時，我國的電氣化鐵路不論里程長度和技術裝備，還是所承擔的客貨運輸量都將跨入世界先進行列。接觸網檢測是運用技術手段對接觸網參數進行在線檢測，根據接觸網設備可測得的和外部可辨認的特征對其工作狀況進行評價。在高速鐵路的建設和發(fā)展上，電氣化鐵路以其顯著的優(yōu)點被許多國家作為大力研究和重點發(fā)展的目標，使得接觸網設備檢測特別是動態(tài)檢測變得越來越重要。主要體現在以下幾個方面。(1)高速電氣化鐵路的建設和發(fā)展需要不斷地積累經驗，通過不同條件、各種項目的檢測結果分析，驗證預期效果，找出設備運行規(guī)律，為今后設計、施工、維修持續(xù)改進提供依據。(2

19、)接觸網作為電氣化鐵路的大動脈，其質量優(yōu)劣與電力機車運行安全直接相關。由于接觸網設備露天布置且無備用，工作環(huán)境惡劣，如不加強設備檢測，及時發(fā)現整治設備隱患，就會危及行車安全，嚴重干擾運輸秩序。(3)以接觸網設備運行狀態(tài)作為依據的狀態(tài)檢修是一種先進、科學、經濟的檢修體制。它是通過合理安排檢測周期，及時獲得設備狀態(tài)；通過對檢測結果的分析判斷，制定檢修計劃和檢修方案；通過增強檢修的針對性，節(jié)省檢修時間和檢修成本，提高人員利用率；再通過檢測來檢驗檢修質量，獲得設備新的狀態(tài)。其中的檢測環(huán)節(jié)在狀態(tài)檢修實施過程中舉足輕重，直接關系到狀態(tài)檢修的成效。(4)在動態(tài)情況下，通過模擬受電弓運行環(huán)境檢測接觸網技術參數

20、是最貼近實際運行情況的檢測手段。它能夠發(fā)現靜態(tài)檢測無法發(fā)現的設備問題，提高對設備運行規(guī)律的認知程度，積累管理經驗。(5)接觸網設備動態(tài)檢測效率很高，人工檢測十公里設備需要幾個小時，而動態(tài)檢測幾個小時就能夠檢測數百甚至上千公里，檢測結果可通過計算機進行輔助處理，減輕了勞動強度，工作效率明顯提高。1.2國內外接觸網動態(tài)檢測系統(tǒng)研究現狀為了適應電氣化鐵路發(fā)展需要，優(yōu)選接觸網和受電弓的結構形式及檢查接觸網的施工、維修質量，以電力牽引為主的德國、法國、日本、前蘇聯等國家都無一例外地在發(fā)展電氣化鐵路的同時，大力研究接觸網動態(tài)檢測技術。接觸網檢測按照檢測設備(傳感器)是否接觸(近)接觸網設備可分為接觸式檢測

21、和非接觸式檢測。接觸網檢測的內容主要有偏移(接觸線偏離受電弓中心的位置)、高度(接觸線至軌面的距離)、硬點(對受電弓產生沖擊)和離線(弓網機械脫離)。由于檢測方式不同，檢測內容各有側重。1.2.1接觸式動態(tài)檢測系統(tǒng)目前世界上，采用接觸式檢測方式進行接觸網檢測的國家有很多。德國、日本、法國和瑞士等國家都研制開發(fā)了各具特色的檢測系統(tǒng)，重點測試弓網動力學參數。其中最具代表性的是德國接觸網檢測裝置。德國研制的接觸網檢測裝置如圖所示。它是通過在受電弓上安裝壓力傳感器和加速度傳感器，測試弓網接觸壓力、沖擊加速度(硬點)和離線等動力學參數，并由受電弓上弓網接觸壓力的分布情況計算出拉出值，由受電弓框架轉軸的角

22、位移計算出接觸線高度。我國目前主流的接觸網動態(tài)檢測裝置也屬于這種方式，是以日本技術為基礎，后借鑒德國技術發(fā)展起來的。1962年，鐵道部科學研究院裝備了第一輛接觸網檢測車，當時僅能檢測導線高度和弓網間的大離線。1980年研制出滿足80km/h運營的接觸網檢測裝置，實現了離線、偏移、高度等主要項目的檢測。1998年12月，西南交通大學電氣工程學院研制成功接觸網檢測車(如圖所示)，基本滿足160km/h準高速鐵路接觸網檢測的需要。車頂配置一臺受電弓，受電弓滑板卜安裝有檢測接觸壓力、加速度、拉出值等多種傳感器。后來，取消了受電弓上的拉出值傳感器，根據受電弓上弓網接觸壓力的分布情況計算拉出值，實現了檢測

23、技術的重大突破。 a)德國接觸網檢測姨置 b)國產JJC一1型接觸網檢測裝置圖11典型接觸式接觸網榆測裝置圖11典型接觸式接觸網榆測裝置接觸式檢測系統(tǒng)實時性好，能夠同時測試接觸線幾何參數和弓網接觸的動力學參數：測試得到的弓網接觸壓力動態(tài)曲線，能夠詳細刻畫弓網接觸運行的動態(tài)過程，較好地反映接觸線的受流特性。但也存在一些問題，如由于放大器存在溫度漂移，高壓端微弱傳感信號放大后受溫度影響加劇，動力學測試參數誤差較大：由于傳感器安裝在受電弓上，增大了滑板的附加質量，系統(tǒng)安全性降低，同刊弓網接觸滑動的離線增多，電磁干擾嚴重，檢測精度受到較大影響；系統(tǒng)結構復雜，維護保養(yǎng)困難，需要高低壓隔離設備，成本較高。

24、1.2.2非接觸式動態(tài)檢測系統(tǒng)目前世界上，開展非接觸式檢測研究實踐的主要有德國、意大利、日本、奧地利和韓國等國家，重點測試接觸網幾何參數。其中最具代表性的是德國基于圖像處理的接觸網檢測裝置。德國BB公司于1982年開始進行接觸網非接觸式檢測裝置的研制，主要采用伺服跟蹤和圖像處理技術。在車頂線陣布置了4個CCD(ChargedCoupledDevice)攝像機和3個聚光燈，通過伺服跟蹤移動，使接觸線在CCD攝像機中成像，然后通過實時圖像處理，計算出接觸線高度和拉出值。1996年改進后，實現了全天候檢測。2000年，采用高分辨率攝像機實現了接觸線磨耗測量。該檢測裝置如圖1-2所示。圖1-2德圍非接

25、觸接觸網檢測裝置目前，我國基于圖像處理的檢測系統(tǒng)主要是在德國技術基礎上發(fā)展起來的。由車頂安裝的兩臺線陣CCD高速攝像機將接觸網的動態(tài)圖像拍攝下來，經過圖像采集設備轉換為數字信號，然后通過二值化、模式識別等圖像處理手段，分析計算接觸線的空間位置，最終得到接觸線的高度和拉出值。非接觸式檢測系統(tǒng)無需在受電弓上安裝傳感器，系統(tǒng)安全性好；檢測裝置置于車頂，安裝調試方便且遠離電磁干擾，檢測精度較高：有無受電弓均可檢測，結構簡潔、成本較低，除電力機車外，還能夠安裝在內燃機車和各種軌道檢修作業(yè)車輛上開展設備檢測工作，普及應用前景廣闊。但因為目標識別準確度和技術參數獲取效率還不能很好適應高速檢測，故目前尚未普及

26、推廣。第2章 接觸網非接觸式檢測原理2.1系統(tǒng)結構基于圖像處理技術的接觸網非接觸式檢測系統(tǒng)是建立在包括模糊圖像識別和圖像處理等視覺技術基礎上的檢測系統(tǒng)，主要包括線陣CCD攝像機、照明光源和終端計算機處理三個子系統(tǒng)。檢測內容涵蓋了接觸網的基本幾何參數。系統(tǒng)配有功能強大的軟件包，可對檢測數據按照不同要求進行分析處理，自動生成分析報告，為設備檢修工作提供可靠詳實的技術數據。2.1.1線陣COD攝像機線陣CCD攝像機主要是對接觸線進行線掃描成像和簡單的信號處理，并將處理結果通過USB高速接口發(fā)送到終端計算機處理系統(tǒng)。1COD圖像傳感器CCD又稱光電耦合器，是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器。自19

27、70年在貝爾實驗室誕生以來，隨著半導體微電子技術迅速發(fā)展，像素集成度、分辨率、幾何精度和靈敏度大大提高，工作頻率范圍顯著增加，很好地滿足了對高速運動物體的拍攝。因其光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環(huán)境、便于進行數字化處理和與計算機連接等諸多優(yōu)點，在圖像采集、非接觸測量和實時監(jiān)控方面得到了廣泛應用，成為現代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的研究領域之一。線陣CCD圖像傳感器如圖2-1所示，是由線性排列的光敏元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出

28、電路組成，具有光電轉換、電荷存儲、電荷轉移、信號讀出功能。通過感受照射在它上面的光的強弱與色彩，將一幅空間分布的光學圖像變換成按時間順序分布的視頻電壓信號。其工作過程如下：(1)光電轉換當目標圖像經過光學物鏡成像在CCD傳感器光敏面上時，光敏元把入射光量子按比例轉換成光生電荷。這個時期稱為光積分期，也稱為曝光期。(2)電荷存儲在光積分期同時，光敏元下面的勢阱收集和存儲這些光生電荷并形成電荷包，將被攝景物圖像亮度分布轉變?yōu)楣饷魠^(qū)下的電荷分布。 (3)電荷轉移在光積分結束后，打開轉移柵，通過轉移脈沖將勢阱中的電荷包轉移到相應的移位寄存器中去。 (4)信號輸出在移位脈沖的作用下，移位寄存器中的電荷包

29、被依次移出，進入相應放大電路。每個光生電荷被依次轉變成相應信號，再經合成電路得到視頻信號。輸出信號可接示波器、圖像顯示器或其它信號存儲處理設備，進行信號再現或存儲處理。 a)CCD芯片 b)內部結構示意圖圖2-1線陣CCD芯片及其結構示意圖2線陣攝像機線陣傳感器攝像機與其它類型傳感器攝像機相比，具有較高分辨率和很好的實時輸出特性。高速線陣傳感器攝像機掃描一次，可立即將掃描結果進行一次視頻輸出，很容易做連續(xù)處理，非常適合對被測圖像信息進行快速采樣、存儲及數據處理。又由于線陣CCD測量精度和掃描頻率很高，對于高速運動物體也能得到高分辨率的圖像，所以在高速電氣化鐵路接觸網動態(tài)檢測中備受青睞。本次所研

30、究系統(tǒng)中采用的是德國FEITH公司生產的線陣攝像機Onuris-SLIS2048(如圖2-2)。其最大行掃描率達20kHz圖像采集達14699幀秒，具有很高的掃描和采集頻率。兩臺攝像機分散傾斜安裝于車項兩側，相對于車頂中心線對稱布置，攝象機主光軸所在平面與車頂平面夾角為60。 a)外觀圖 b)內部結構圖22 Onuris線陣CCD高速攝像機212照明光源本次所研究系統(tǒng)的照明光源由兩臺功率500W聚光燈組成。兩臺聚光燈位于兩攝像機中間，相對車項中心線對稱布置。在機車進入隧道、夜晚以及背景亮度較低的情況下，為攝像機工作提供照明光源。光源產生的光柱覆蓋車頂兩臺攝像機視覺重疊部分構成的光幕靶，且在光幕

31、靶的范圍內照度均衡。光源的照度由光源控制卡控制，根據背景光的強度，自動調整光源的強度，便于系統(tǒng)適應復雜環(huán)境。213終端處理系統(tǒng)終端計算機處理系統(tǒng)由一臺計算機和相關處理軟件組成。軟件設計采用SQLServer數據庫操作系統(tǒng)以及Visualc+60做為應用程序的開發(fā)工具。其作用是：(1)配置攝像機屬性，滿足系統(tǒng)對攝像機圖像拍攝速度、曝光時間、圖像信息傳遞同步機制的要求。(2)以多媒體技術與模糊圖像處理技術為基礎，接收前端兩臺線掃描攝像機發(fā)送過來的掃描圖像，用圖像預處理軟件來區(qū)分背景和目標，通過計算軟件獲得接觸線的高度和拉出值。(3)實時監(jiān)視并記錄檢測的整個過程，實現檢測結果的回放、檢索、生成報告和

32、打印。另外，終端處理系統(tǒng)還具備攝像機控制故障分析、通信以及光源控制等功能。軟件系統(tǒng)模塊組成如圖2-3所示。圖2-3 軟件系統(tǒng)模塊組成2.2目標識別對采集圖像進行目標識別的基本前提是對圖像進行分割預處理。根據灰度特征把圖像劃分成若干個互不相交的區(qū)域，使得這些特征在同一區(qū)域內，表現出一致性或相似性，而在不同區(qū)域間表現出明顯的不同，進而在一幀圖像中，將目標從背景中分離出來，以便于進一步處理。在具體應用中，分割是對圖像進一步分析、識別的前提，分割的準確性將直接影響到后續(xù)任務的有效性。閥值法是一種傳統(tǒng)的圖像分割方法，是圖像分割中最基本、最簡單，同時也是應用最廣泛的分割技術。它具有實現簡單、計算量小、性能

33、較穩(wěn)定等顯著特點，特別適用于目標和背景占據不同灰度級范圍的圖像，不僅可以極大的壓縮數據量，而且也大大簡化了分析和處理步驟，在紅外成像、遙感、醫(yī)學等很多領域得到廣泛應用。圖像閥值化首先是將像素集合劃分為若干閥值段，然后針對每個閥值段對應的灰度圖像各像素灰度值通過一定算法得到其特征閥值，以此為標準將圖像分割為兩個部分，分別用0和1表示。這樣就將原始灰度值變換為二值化特征值，完成了圖像的預處理，為目標識別打下了基礎。本次所研究的系統(tǒng)是采用全局閥值法對圖像進行分割預處理，將整個一幀灰度圖像劃分為一個閥值段，段內各像素灰度值的平均值做為特征閥值，然后進行二值化，完成圖像預處理，實現目標與背景的分離。2.

34、3檢測方法當線陣攝像機與被攝物體在縱向相對運動時，每次采集都能得到目標的一幀二維圖像數據，然后通過全局閥值法進行圖像預處理，區(qū)分背景和目標，最終利用相交式幾何定位計算方法完成目標定位和幾何參數獲取。檢測主要步驟和功能如下。(1)圖像采集安裝在車頂的兩個線陣CCD攝像機同時對接觸線目標進行掃描，各自得到背景和目標混合的灰度圖像。(2)圖像預處理對灰度圖像利用全局閥值法進行處理，區(qū)分背景和目標區(qū)域，獲取目標。晝間背景明亮，其灰度值較高，目標灰度值較低。采用平均灰度值作為閥值進行圖像分割，大于閥值的是背景，二值化為0，小于閥值的是目標，二值化為1。夜間、通過隧道及背景亮度較低時，需開啟照明光源，二值

35、化方法相反。(3)目標定位根據識別的目標區(qū)域，找到目標中心位置，然后將兩攝像機采集的目標兩兩組合，進行空間定位。(4)計算幾何參數根據(2-1)、(2-2)、(2-6)、(29)式計算，獲得接觸線目標的高度和拉出值。該非接觸式檢測系統(tǒng)全部項目的檢測均采用圖像處理的方法，所需信息全部通過攝像機直接獲取，具有檢測方法簡單、檢測設備無磨損、不需要高低電壓隔離、使用壽命長、易于維護、不必對受電弓進行任何改造以及安全系數大等一系列優(yōu)點n引。通過試驗和結果分析，目前該檢測系統(tǒng)能夠完成檢測任務，但要更好地適應高速檢測要求，還存在一些問題需要改進完善。(1)車頂攝像機傾斜安裝，與車頂平面存在一定夾角，易產生安

36、裝誤差。(2)采用光源控制卡控制照明光源開閉。高速檢測時，因光源控制卡控制延遲，可能會出現因照明光源開閉不及時而造成目標丟失。(3)當背景灰度不均勻以及一幀圖像出現多個目標時，采用全局閥值法進行預處理，不能兼顧圖像各處情況而影響分割效果，容易造成目標誤識別或丟失目標。(4)當背景中出現烏云、飛鳥、樹陰等干擾目標以及一幀圖像出現多個目標時，雜亂的目標圖使得獲取有效目標幾何參數的效率降低。(5)特殊情況目標圖像出現斷點時，無法獲得該處接觸線的幾何參數。第3章 接觸網非接觸式檢測系統(tǒng)計算方法針對目前非接觸式檢測系統(tǒng)需要改進和完善的一些問題，本文通過對自適應控制和自適應識別技術的研究，提出一系列改進算

37、法。3.1平行式定位計算方法本次設計將檢測系統(tǒng)中車頂兩攝像機的安裝方式改為集中水平安裝，對稱布置于車頂中心線兩側。攝像機主光軸所在平面與車頂平面夾角為90o。，不易產生角度安裝誤差。由于兩攝像機水平安裝，其主光軸必平行，故此種安裝方式對應的定位計算方法稱為平行式定位計算方法。3.1.1定位算法根據接觸線位置相對于攝像機鏡頭主光軸位置的不同，其定位計算可分為接觸線位于1#和2#兩攝像機主光軸中間、位于1#攝像機主光軸左側和位于2#攝像機主光軸右側三種情況。312檢測范圍由于電力機車受電弓工作高度范圍是5183mm-6683mm，受電弓工度為1250mmm，。即在受電弓工作高度范圍內，均應能夠檢測

38、其中心線左右至少625mm范圍的接觸線位置，見圖3-1中的矩形區(qū)域。圖3-1 矩形區(qū)域3.2自適應算法在日常生活中，自適應是指生物能改變自己的習性以適應新環(huán)境的一種特征。自適應算法是指系統(tǒng)能夠根據不同的情況，自動快速調節(jié)自身原有的行為特性以適應對象和擾動的變化。下面從白適應控制和自適應識別技術兩方面入手，闡述對原檢測系統(tǒng)基于自適應算法的改進思路。(1) 自適應控制任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性。自適應控制的研究對象就是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)。描述被控對象及其環(huán)境的數學模型不完全確定，其中包含一些未知因素和隨機因素。從系統(tǒng)內部來講，描述被控對象的數學模型的結構和參數，設計者事先并不

39、一定能準確知道；從系統(tǒng)外部來講，外部環(huán)境影響是不可預測的，可以等效地用擾動來表示。此外，還有一些與測量設備以及被測目標相關的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的、各種各樣的不確定性，如何進行適當的控制，使得輸出結果達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，就是自適應控制所要研究解決的問題。自適應控制是一種基于數學模型的控制方法，它所依據的關于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中不斷提取有關信息，依據對象的輸入輸出數據，不斷地在線辨識模型參數，使模型逐步完善。隨著過程的延續(xù)，通過在線辯識，模型會變得越來越準確，越來越接近于實際，控制系統(tǒng)也就具有了適應能力。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)內部特性的變

40、化和外部擾動的影響也具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數是固定的，所以當系統(tǒng)內部特性變化或者外部擾動變化幅度很大時，系統(tǒng)的性能常常會大幅度下降，甚至不穩(wěn)定。接觸線作為被檢測的目標，是一個具有許多不確定因素的對象。從系統(tǒng)內部來講，描述接觸線的數學模型的結構和參數，我們事先并不一定能準確知道。同時，跨線橋、隧道、飛鳥、烏云等外部環(huán)境以及接觸網定位支撐裝置都會對檢測造成影響，其中許多是不可預測的。在測量時還會產生照明光源延遲開閉、多目標出現、目標斷續(xù)等不確定因素隨時進入檢測系統(tǒng)。所以，對接觸線這種特性或擾動特性變化范圍很大，同時又要求保持高性能指標的檢測系統(tǒng)，采取自適應控制是合適的。(2)自適應識

41、別根據對攝像機采集的一幀灰度圖像使用統(tǒng)一閥值還是對圖像不同區(qū)域使用不同閥值進行預處理，可以分為全局閥值法和自適應閥值法(也稱為局部閥值法)。當圖像中存在背景與目標灰度差值不大，多目標共存，有陰影，照度不均勻，背景灰度變化等情況時，只用一個固定的全局閥值對一幀灰度圖像進行分割，會由于不能兼顧圖像各處的情況而影響分割效果，造成目標誤識別或丟失目標。自適應閥值法是用一定數量的像素組成閥值段，對一幀灰度圖像進行分割，然后每個閥值段分別以特定算法提取閥值進行圖像預處理方法。自適應閥值法相對于全局閥值法稍顯復雜，但是它能夠較好地解決全局閥值法不能很好解決的一些問題。3.3檢測方法由上節(jié)分析可知，將自適應控

42、制和自適應閥值引入檢測系統(tǒng)是十分必要的。具體的算法是采用自適應閥值法進行灰度值圖像預處理，通過目標的灰度值和成像寬度區(qū)分工作支接觸線和其它線索，按照透鏡成像規(guī)律來判斷目標空間位置，依據有效目標點的延續(xù)性去除干擾目標，從而使檢測系統(tǒng)具備自適應功能，根據系統(tǒng)內部和外部的情況變化，改變工作方式或硬件設備狀態(tài)，保持工況切換及時準確，優(yōu)化圖像識別技術，獲得高質量的目標圖，最終精確高效地計算出目標的幾何參數。檢測主要包括圖像采集、圖像預處理、獲取目標、干擾目標排除、目標定位和計算幾何參數等步驟。3.3.1圖像采集安裝在車頂的兩個線陣CCD攝像機同時對接觸線目標進行掃描，各自采集灰度圖像。3.3.2圖像預處

43、理采用自適應閥值法進行圖像預處理，并通過兩次二值化處理方案實現目標與背景的分離。其中，第一次二值化是將當前幀圖像進行等長劃分，對當前幀像素點灰度值全部進行二值化處理，得到有效閥值段及其閥值；第二次二值化是在有效閥值段內，將對應的圖像再次進行二值化處理，找出目標區(qū)域。另外，在第一次二值化過程中，采取了固定長度為F。的多閥值段劃分方法，雖然能夠較好地解決單閥值段在誤識別和丟失目標的問題，但常會將一個目標劃分在多個有效閥值段內。為避免做為多個目標去識別，就需要對有效閥值段進行優(yōu)化。333獲取目標根據所識別目標在攝像機焦平面上的起止位置，確定目標的寬度和中心位置。實際檢測中，有時會因為照明光源開閉延時

44、、目標圖局部出現斷點、存在無效目標等原因，影響目標的定位計算。所以要提高識別目標的質量，就應當在開展獲取目標工作步驟之前，對照明光源開閉、斷點接續(xù)和多目標識別進行有效控制。1照明光源的自適應控制晝間檢測通過隧道、橋梁時，由于光源開啟延時，往往會造成檢測目標丟失，而始終開啟照明光源進行檢測，則會在背景亮度較高的情況下，降低背景和目標的灰度差值，造成目標丟失。這個問題可以通過軟件方法來解決。事先根據檢測區(qū)段的隧道、橋梁等跨線建筑物的起止公里標建立數據庫，在即將進入隧道、橋梁前的一定距離時(由延遲時間和列車速度確定)，通過光源控制卡自動開啟照明光源，逐步增加光源的照度，在進入隧道、橋梁的瞬間，將光源

45、的照度增大到規(guī)定值。在離開隧道、橋梁這些建筑物前一定距離，逐步降低光源的照度，在離開隧道、橋梁的瞬間，將照明光源關閉，實現照明光源的開閉和光源照度的自適應控制，確保照明光源的及時開閉。2目標斷點的自適應接續(xù)當目標圖出現斷點時，接觸線的中心位置無法確定，但是通過事后補償的方法來進行斷點的接續(xù)，可以近似確定目標中心位置，進而獲得斷點的幾何參數。3.4系統(tǒng)實現改進后的接觸網非接觸式檢測系統(tǒng)仍由線陣CCD攝像機、照明光源和終端計算機處理三個子系統(tǒng)組成。檢測系統(tǒng)架構略有變化，如圖3-2所示。圖3-2 檢測系統(tǒng)架構 上圖3集中水平布置的系統(tǒng)架構硬件選型與原系統(tǒng)保持一致。對其中的圖像解析和光源控制兩個模塊進

46、行了自適應算法改進。系統(tǒng)開始工作后，經過圖像采集，圖像預處理、獲取目標以及去除干擾等步驟后，得到基于自適應算法的目標圖，然后通過定位計算，得到目標的幾何參數。第4章 系統(tǒng)誤差分析在實際測量中，人們對客觀事物認識的局限性、測量器具不準確、測量手段不完善、測量環(huán)境條件變化以及測量工作中的失誤，都會使測量結果與被測真值之間存在一定差異，形成測量誤差。誤差按性質和來源可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和疏失誤差。（1）系統(tǒng)誤差由于測量儀器不完善、有缺陷以及沒有按規(guī)定條件使用，試驗理論、試驗方法或試驗條件不合要求，觀測者個人習慣等因素所引起的誤差。這類誤差在一系列測量中，大小和符號不變或有固定的規(guī)律，可根據具體試

47、驗條件、系統(tǒng)誤差特點，找出誤差產生原因，采取適當措施，降低誤差影響。（2）隨機誤差（偶然誤差） 由一些不易控制的因素引起，如測量值的波動、試驗人員熟練程度、感官誤差及外界條件的變動等一系列問題。這類誤差在一系列測量中的數值和符號是不確定的，而且是無法消除的，統(tǒng)計特性大多服從正態(tài)分布。隨著測量次數的增加，隨機誤差平均值愈來愈小。因此，通常采用增加測量次數的方法來減小此類誤差的影響。（3）疏失誤差（過失誤差）主要是由試驗人員粗心大意，如讀數錯誤或操作失誤所致，這類誤差往往與正常值相差很大，也明顯地超過正常條件下的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。這類誤差可通過提高檢測系統(tǒng)自動化控制程度，減少人工參與的方法予以消

48、除。由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，可以預測并加以控制，所以下面重點針對系統(tǒng)誤差進行分析。在誤差理論中用準確度來表示系統(tǒng)誤差大小的程度。測量結果的準確度是指測量結果與被測真值以相接近的程度。準確度的高低用誤差來衡量。誤差可分為絕對誤差包和相對誤差巨兩種，分別表示為被測真值4是一個理想的概念，在實際中測量過程中，由于受到各種主觀及客觀因素的影響，真值往往不可能準確獲知。因此，通常采用約定真值戤替代真值進行誤差的計算，則(4-1)和(42)式演變?yōu)橄鄬φ`差分別表有在實際接觸網幾何參數檢測過程中，系統(tǒng)的測量誤差由靜態(tài)誤差和振動誤差合成。靜態(tài)誤差是在車體中心線與線路中心一致的情況下，由于對拉出值和高度作

49、間接測量引入的運算誤差和設備誤差，從引起靜態(tài)誤差的角度上看，影響檢測數據有效性的主要因素有以下兩個方面：第一，測量過程中采樣點位置相異；第二，攝像機在測量過程中，其工作背景造成的影響。震動誤差是在運動中測量時，由于振動使車體中心線偏離線路中心造成的，是隨機誤差。41兩攝像機采樣點位置相異引起的誤差列車高速運行時，輸入數據處理子系統(tǒng)中供運算的圖像數據，可能不是接觸線同一位置點的圖像信息，而是相距一定距離的不同點圖像信息。如圖41所示，攝像機C，將采樣點A的數據送入數據處理子系統(tǒng)，而攝像機C，則將B點的圖像數據輸入數據處理子系統(tǒng)，A、B兩點在攝像機中的成像特征會發(fā)生一些改變，此時，應用A、B映象目

50、標參數，進行接觸線幾何參數檢測，不可避免的會產生測量誤差。(a)接觸線高度誤差分析圖 (b)接觸線拉出值誤差分析圖圖4-1采樣點位置相異引起誤著分析圖受接觸線實際布局的影響，當兩攝像機采樣點之間的位置差較大時，攝像機C，在B點采樣時所得到的圖像數據，與攝像機C，在A點采樣時所得到的圖像數據相比，接觸線目標點在攝像機中成像的起始位置和圖像寬度均會發(fā)生一些變化。設攝像機C，目標對象在圖像數據中成像位置的偏移量為血，像素寬度的變化量為w，式(27)中的：將會發(fā)生改變：接觸線拉出值為：接觸線高度： 接觸線拉出值的變化量：接觸線高度的變化量：42 COD攝像機工作環(huán)境的影響及分析在進行接觸線幾何參數檢測

51、時，由于攝像機視場中可能包含整個接觸懸掛的各種部件，所以接觸網系統(tǒng)中的吊弦、承力索、腕臂、中心錨節(jié)、定位管、定位器、軟硬橫跨和橋梁的上部結構等成了檢測系統(tǒng)的干擾目標，從而給整個檢測工作帶來了很大的干擾，并且在定程度上還降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了有效地保留檢測目標的信號，有必要分析接觸網的結構及其各成像部件的特征。吊弦縱向安裝，對目標成像影響小，承力索與接觸線布局形式相似，是識別接觸線目標的主要干擾因素。承力索表面比較污濁，底面呈柱狀弧形，對光的反射性較弱，所以承力索目標成像寬度小且邊緣過度平滑；列車在運行過程中，由于接觸線與受電弓摩擦作用，磨耗面光亮，發(fā)射性能較其它物體高很多，并且磨耗面邊緣幾何

52、過度陡峭，在攝像機中成像信號電平較高，所以接觸線目標成像邊緣明顯，斜率大。從尺寸來看，接觸線最大寬度相對背景中的腕臂、軟硬橫跨、橋梁上部結構等幾何尺寸較大的干擾目標來說都比較小，只有承力索以接觸線相近，但承力索在接觸線上方，離攝像機較遠，由幾何光學可知，照度與距離成反比，所以目標圖像信號幅度比較平滑。在接觸網系統(tǒng)的支持部分，能成像的主要有腕臂、定位器、定位管以及軟硬橫跨，但由于它們大都垂直軌道方向，在接觸線方向只是零星出項，對光的反射性能差，并且成像很寬，所以對接觸線目標的識別和跟蹤可以忽略。對錨段關節(jié)處的目標識別，三跨段關節(jié)處，影響的干擾目標除有工作支承力索外，還有非工作支接觸線以及承力索；

53、對于四錨段關節(jié)還有電分段，結構更復雜，但成像分析與三跨段類似。在線岔的情況和錨段關節(jié)處的檢測也很相近，都可利用工作支和非工作支的區(qū)別來進行目標識別和跟蹤。若檢測系統(tǒng)在啟動時恰好位于錨段關節(jié)處，則成像就可能有工作支和非工作支，在接觸懸掛的部件中，工作支接觸線離攝像機最近，在錨段關節(jié)工作和非工作支交換前一定范圍外，可較容易利用獲得的目標信息判斷出接觸線的位置。在接觸線工作支和非工作支轉換處，由于工作支和非工作支平行且高度相近，無法判斷目標接觸線，這時可進行錨段關節(jié)處的雙線檢測，即認為兩根接觸線目標都有效。43機車振動的影響及分析431車輛運行振動分析運行中的列車車輛是具有彈簧懸掛裝置的多自由度的振動系統(tǒng)，在實際線路上運行時，會產生復雜的振動現象，但振動理論的研究和實踐表明，這種復雜的振動是若干基本形式振動的組合結果。車體的振動形式有：沉浮振動、橫擺振動、伸縮振動、搖頭振動、仰伏振動、側滾振動等。安裝在機車頂部的檢測裝置，在正常檢測過程中會隨車體一起振動，故而收集到的檢測數據受到了車輛振動的影響。車輛振動是一個非常復雜的課題，同一輛車，不同的線路等級和線路狀態(tài)，振動情況不同：同一車輛、同一線路，不同的運動速度，振動也不一樣；不同的車輛情況也不同。所以，車輛振動是一個